虚拟花卉景观可视化建模和交互技术应用研究

摘要：虚拟景观是虚拟现实近年来的研究热点之一，虚拟花卉作为虚拟景观中重要的研究对象，由于其形态结构复杂、变化多样，因此虚拟仿真难度较高。本文根据可视化建模的相关方法，提出一套系统的、专门用于虚拟花卉景观的可视化建模方法，并通过实验证明了该方法具有建模效率高、模型逼真自然的特点。此外，本文还介绍了如何基于VRPlatform平台，快速实现花卉景观交互式漫游系统开发的方法。本文对虚拟花卉景观建模和漫游系统开发有一定指导作用和价值。

关键词：虚拟花卉 可视化建模 交互技术 漫游系统

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0050-03

1、引言

虚拟景观是近年来随着信息和计算机技术发展近年在虚拟现实研究领域出现的新研究方向，是建立在植物学、计算机图形学、人机交互和虚拟现实等多学科基础上的交叉学科。虚拟花卉景观作为虚拟景观的一个重要方面，同样也受到研究者们越来越多的关注。而研究虚拟花卉景观，主要可以分为两个方面：一方面是虚拟花卉的建模；另一方面是交互技术在虚拟花卉景观中的应用。

在虚拟花卉建模方面，由于花卉植物形态结构复杂，叶片、花瓣等组织器官形态多样，因此想要通过编程快速逼真的生成这样的三维模型是十分困难的。运用手动建模的方法，对模型进行可视化调节，被认为是逼真模拟真实花卉形态特点最适合的方法。[1]但是关于这方面的目研究还十分少见。

在交互技术应用方面，主要是运用交互技术开发虚拟花卉景观漫游系统。漫游系统是基于虚拟现实技术构建的一种人机交互系统，在军事、城市规划、建筑、旅游、游戏、航空航天、医学等多种行业有重要发展前景。其3I特性——沉浸感、交互性和构想性使得沿用固定漫游路径的其他漫游技术和系统无法与之相比。[2]但是目前在虚拟花卉景观中运用交互式漫游技术的研究成果还很少。

因此，本文一方面通过研究基于Maya的可视化建模方法，提出了一套高效的、专门用于虚拟花卉的建模方法；另一方面，通过对VRPlatform虚拟现实交互平台的研究，系统的提出了搭建虚拟花卉漫游场景的方法及流程。

2、虚拟花卉可视化建模

本文的中建模研究主在Maya环境下进行。虚拟花卉建模的研究主要包裹一下几个方面：模型建立、模型贴图、贴图烘焙、模型优化。

2.1 模型建立

因为建立的虚拟花卉模型在Maya中完成建模后将导入VRPlatform交互平台中使用，因此模型建立时需要注意以下几个方面：

（1）每株虚拟花卉模型的面片数在2000面以内。可通过删除不可见面片的方法精简模型面片数。通过此方法可以提高贴图的利用率，提高交互场景的运行速度。

（2）在表现花卉较细枝条时，使用面片贴图的方法表现，因为细长的几何模型在渲染时会出现锯齿、纹理模糊等现象。

（3）保持相邻模型间的距离，这样一方面是为了节约系统资源，另一方面是因为OpenGL根据深度缓存实现面片消隐，通过深度值判断遮挡关系，如果相邻面片距离太近，系统在绘制时会出错。

（4）合理分布模型的密度。如果模型密度不均匀，会导致运行速度时快时慢。

在建立花卉模型时，本文根据模型在虚拟景观中放置的远近位置将花卉模型分为三个等级：[5]

一级模型的建立（以君子兰为例）：一级模型需要对花朵（如图1所示）、叶子（如图2所示）分别都建模。一级模型面数通常在1000-2000面之间，模型精度高。

二级模型如图3所示（以虎尾兰为例），用一个面片来表示一丛花叶，整株植物多个这样的面片组成。这种方法极大的降低了模型面片数，而模型的效果通过透明贴图实现。

三级模型只使用一个面片，通过透明通道贴图的方法实现模型效果。

2.2 模型贴图

本文利用真实植物各个器官的照片，用Photoshop制作材质贴图。贴图分为两种，一种是普通纹理材质贴图，多用于一级模型（效果如图4所示）；另一种就是带透明通道的贴图，但制作带透明通道的材质是一项复杂的工作，需要根据贴图的有效区域抠出材质的有效区域，然后根据这个贴图制作一份黑白材质作为透明通道的贴图，这样就可以根据通明通道的白色区域，只这个区域内其他通道的材质效果，效果如图5所示。此外，贴图在模型上的表面的位置可以通过Maya中的UV贴图修改器和UV展开修改器进行调整，如图6所示。

2.3 贴图烘焙

通过材质贴图的方法表现虚拟花卉的真实感是有限的，要得到逼真的虚拟花卉景，灯光和渲染也十分重要，我们可以通过将光影效果合成到贴图上的方式即“烘焙”。烘焙最主要的功能是将光线阴影固定在模型的贴图上，使光照信息变成了贴图，不需要CPU计算光照和阴影信息，只要计算普通的贴图就可以了，所以速度极快，这样的烘焙贴图主要用于VRPlatform交互平台制作交互式漫游系统。

2.4 模型优化

模型优化分为模型面数优化、模型个数优化和模型贴图量优化三个方面[3]。优化的原则主要根据“远虚近实”的思想。

2.4.1 模型面数优化

面数优化的原则是：删除看不见的面，比如花盆的底面，花卉模型被遮挡的面等。植物的姿态美不在于模型的复杂程度，而是造型能力。

如图7至图10所示，是模型优化前后的一个比较图。优化前面数统计：1546个面，优化后面数统计：993个面。

2.4.2 模型个数的优化

模型个数的优化通过合并物体实现，如图11所示：选中所有的物体，在Polygons模组中，选择Mesh菜单中的“Combine（合并）”。[4]

2.4.3 贴图量的优化

在利用VRPlatform交互平台制作虚拟花卉景观漫游时，为了提高漫游速度，除了需要对模型个数和面数做了优化之外，还必须对场景的贴图量进行优化。贴图量的优化需要从一开始烘焙贴图时就要开始遵循一个优化原则：即重点模型，比如一级模型，其烘焙贴图分辨率可以为1024*1024，三级的模型，其烘焙贴图分辨率可以为256*256或者128*128；其次，尽量使用重复的贴图。相近位置的植物可以公用一张贴图，既能保持光线的统一，也节省贴图量。[7]

3、交互技术的运用

交互技术运用到虚拟花卉景观领域，主要是为了实现一个交互式的景观漫游系统，使用户可以根据自身的需求对花卉景观中单株花卉和整体景观效果进行观测。[2]本文利用VRPlatform交互平台，快速实现了虚拟花卉景观漫游系统的制作，其步骤如下：

（1）将模型导入VRPlatform，对场景材质进行编辑。

（2）创建相机：相机分为行走相机、飞行相机和旋转相机。行走相机视高1.7米（参数也可以调整），结合碰撞检测还可以模仿走楼梯的效果；在模拟室外场景（如旅游业的风景游览）时，经常会使用飞行相机来游览整个场景的概貌；旋转相机是指绕一个建筑物环绕飞行。在VRPlatform里进行交互除了可以通过键盘W（前进）、S（后退）进行，也可以通过单击二维界面里的按钮达到交互功能。

（3）VRPlatform场景碰撞检测的设置：在场景设置了碰撞之后，相机小人在场景中行走时再也不会出现陷到地下或穿墙而过的现象了，即使撞到墙壁上也会沿着墙壁继续向前行走。

（4）场景特效制作：添加太阳光晕，天空盒以及雾效。

最终的虚拟花卉景观漫游系统如图12所示，通过VRPlatform创建的虚拟花卉景观逼真自然。

4、结语

本文一方面运用可视化建模技术，深入研究并提出了虚拟花卉的建模方法，利用该方法，用较少的面片数实现了逼真自然的虚拟花卉建模。另一方面，在VRPlatform平台下，运用交互技术的相关原理，快速的建立了虚拟花卉景观漫游系统。因此，本文的研究内容在虚拟花卉景观的研究中有一定价值。

参考文献

[1]郭延臣，韦群等.自然景物中植物模型的构造和真实感绘制[J].中国科技信息，2005，4：14-14.

[2]王瑞玲，陈振明，李际军.基于场景建模的虚拟漫游系统[D].杭州：浙江大学研究生院，2007，7.

[3] 孙长勇.虚拟现实中三维建模技术方法的分析与研究[D].信息工程大学，2004.

[4]黄心渊.Maya 8 标准教程[M].兵器工业出版社，2006.

[5]李福清.植物模拟的造型方法[J].现代农业科技，2005，14：35-37.

[6]林军政.Maya+VRay建筑动画表现技法[M].北京：清华大学出版社，2008，2.

[7]余莉，王乘.基于虚拟现实技术的数字校园三维仿真系统[D].武汉：华中科技大学，2007，7.

[8]N.Sclater，C.D.Whittingtong.A Virtual University Model.Proceedings of WebNet，Orlando USA，1998：960-964.